可攜式裝置供電遇瓶頸 全面性電源管理方案迫在眉睫

可攜式電子產品形形色色，如數位相機、MP3、PMP、PDA、手機等。它們的特點除了輕巧易攜帶外，在功能上的表現愈來愈多元化，例如不斷加入含背光的彩色LCD、OLED顯示螢幕、聲音子系統、數位相機功能、無線區域網路(WLAN)、藍芽(Bluetooth)通訊與其他整合式的無線電/類比功能等，這些功能促使系統電力的消耗不斷增加。如何延長電池的使用壽命，已成為設計工程師都頭痛的問題。由於近年來電池能源密度的技術並沒有太大的突破，要延長電池的壽命，就只能從系統與晶片的設計，以及電源管理的技術上來著手。  

可攜式電源設計面臨挑戰  

尋常的電子產品系統只要達到用電效率即可，相較之下，手機與PDA等可攜式產品在電源管理設計上卻必須就效率與成本做通盤考量。再加上面對的環境又不能裝散熱風扇直接對流，也無法忍受太高的機殼溫度，不但有尺寸與重量限制，也有嚴重的溫度控制問題，設計時面臨尺寸上的限制，使得IC與電池面對更嚴苛的進入障礙，設計師必須從中取得平衡點才能達成目標，而這些取捨就影響了電源的選擇及IC製造商正在開發的產品。其中電池管理上的挑戰顯然是關鍵，必須能提供快速、方便而安全地進行電池充電的功能。  

電源管理系統功能趨於複雜  

先看手機IC的發展，初期的手機約有500多顆電子元件(含被動元件)。迄今最精簡的第二代手機，已整合到5個主要的晶片，加上少數幾顆被動元件，簡化成整合單晶片(PMU)已為期不遠。  

由於新一代的手機都具備傳送大量資料的功能，而傳送資料需要耗用大量電力，再加上隨著晶片的體積不斷縮小，電壓不斷下降，電源管理系統的功能也就變得更為複雜。雖然開關穩壓器的效率可望進一步提高，甚至可由95%提高至97%的功率，但仍不足以因應未來一代的發展方案。  

常見的電壓調節器是將兩節鋰電池提供的3.6V電壓轉換成基頻處理器所要求的3.3V電壓，相較於由MOSFET饋送電流的脈寬調變器(PWM)解決方案，採用LDO(Low Dropout Linear Regulator)在電壓輸出端產生的噪訊(Noise)最小。由於LDO產生的漣波極小，可以避免噪訊使手機微發射器產生的RF載波漸變，因此LDO日漸受歡迎。  

LDO算是啟動第一波用電效率的提升，後來，業界專家又採用關閉或調低手持設備中央處理器的工作頻率方式來控制功耗，其立論基礎是微處理器與DSP的時脈越快，消耗的功率也就越多。如果降低時脈頻率和工作電壓，實質也就降低了功耗。  

「電壓與頻率收放」技術的產生，即是為了監控中央處理器的處理任務(使用軟體程式碼)，並界定其優先等級。例如視訊串流解碼這樣的任務可能需要大量的處理能力，元件將以最大的時脈頻率執行，功率也被調節到能夠提供最大的I/O作業。當手機擺在口袋中保持待機狀態時，就不需要處理器繼續工作，僅用些許的電壓刷新記憶體即可，這是透過軟體控制數據路徑進行降低功耗的最佳化，重點不是電壓，而是時序；除了透過電壓調節電路節能以外，也兼顧到匯流排和介面元件部份的功耗。  

如從IC面向來看，手機內部有個調節器專門負責為中央處理器和DSP供電，另外還有調節器負責為週邊設備提供降壓/升壓能力，電源管理IC(PMIC)的發展思維於焉產生，將電壓調節器、監控器和電壓控制器或多個LDO加以整合。  

電源管理系統亟需全新設計  

手機隨著寬頻多重封碼選取(WCDMA)、通用移動電信系統(UMTS)、整體封包無線電服務技術(GPRS)以及速度高達384 Kbps的EDGE(可支援GSM進一步發展的更高資料速度技術)等嶄新無線技術逐漸成熟，智慧型行動電話已能提供網頁瀏覽、影音播放與資料串流傳輸、收發電子郵件以及電子遊戲等功能。只需一機在手，消費者便可隨時從事溝通、學習、工作以及娛樂活動。這些功能讓電路設計的複雜度比舊電路高達10倍。  

新一代手機在裝設這些耗電量高的應用處理器、基頻元件、攝影鏡頭、記憶體及顯示板之後，電源的消耗也隨之大增。若是不為電源管理系統做全新的設計，電池壽命可能連消費者預期的1/3都不到。  

因此，為了減少能量浪費，必須儘量將可用的電能用在實際需要的地方，這也是省電的大關鍵。比如手機的心臟－DSP是持續耗電的元件，在省電對策上，業界大致分為兩種：其一是進行分區管理，當專注處理某項工作時，未參與部份予以關斷省能；另一則是改變工作頻率與工作電壓。  

在經驗上，手機電池的電壓範圍從電力飽滿時的4.2V到電力耗盡時的2.7V，大部份的放電期間約維持在3.7V左右；DVD Player則是將兩顆鋰離子電池串聯，使其電壓範圍達到8.4V至5.4V；另外，由一顆或兩顆無法充電的鹼性電池所構成的電池組也很普遍，鹼性電池的電壓範圍從1.5V至0.9V。許多應用需要數種電壓提供給不同的系統零件，常用電源包括CPU核心的1V以下、記憶體的2.5V和3.3V、Compact Flash、USB等介面的5V、液晶顯示器的偏壓電路或白光二極體的背光照明電路所使用的20V以上電壓。  

電源轉換技術有好幾種，選擇何者需視應用需求的取捨而定；手機的電壓為I/O使用的3.3V、記憶體的2.5V以及CPU使用的1.5V，而這些都必須要能夠有效率地提供，因此降壓式DC至DC轉換器會是一種好的選擇。  

在低成本的設計考量下，如電池電壓比穩壓輸出高不了多少，同時負載電流也低到不會造成散熱問題的情況下，可以考慮LDO，常見鋰離子電池產生3.3V電壓時，可用的電池電壓會在4.2V～3.3V之間變動；也就是4.2V輸入時，LDO的效率約為79％，但是電池電壓降到3.6V時，鋰離子電池正常的電壓時，效率會提昇到92％。  

電池電量無法滿足需求  

使用的電池則隨著手機尺寸不斷縮小，多數產品選用棱柱型鋰電池，目前已成為中階手機(有人甚至稱之為贈品手機)的標準配置；標準鋰電池的厚度為4.8毫米到14毫米，可滿足目前多數手機的要求。尺寸更小的ALB和PLB電池技術也不斷發展，恰可因應整合藍芽、MPEG4的新型超小產品和手機需要更多的空間來容納額外的電路。這些電池的能量密度與棱柱型鋰電池相當，目前厚度僅為約3毫米。由於無線方面發展十分迅速，電池廠商所面臨的主要壓力是如何為今後的可攜式產品供電。預計今後的電池電量將會提高5到10倍，而目前卻只增加了10%到30%。  

儘管燃料電池仍處於開發階段，它卻可以提供電池廠商渴望的電量，燃料電池投入使用後，在沒有電源的情況下，消費者只需將其可攜式設備插入一個燃料筒如甲醇便可進行連續充電，如將燃料電池與鋰電池、ALB或PLB電池結合使用，消費者便可在有電源時利用電源進行充電，在戶外時則將燃料電池的電量灌注到電池，而不用擔心電池不足的問題。  

供電系統應與耗電系統合併  

電源管理的定義勢必加以擴大，除了輸出功率之外，還包括功率分配與功率消耗，換言之，供電系統應與耗電系統連為一體，讓這兩個系統可以互相溝通，以便大幅節省能源。  

隨著電源管理效益的發展逼近極限，傳統電源管理晶片開發廠商與處理器開發廠商各自為政的生產模式必須面臨推翻，從整個系統的角度，開發全面性的電源管理解決方案，才能靈活管理嵌入式系統的性能與功耗，並且更有進一步提升用電效率。